Silvia Bodoardo Dip. Scienza dei Materiali e Ing. Chimica - Politecnico di Torino [email protected] Torino Polito 3-6-10 1/22

Silvia BodoardoDip. Scienza dei Materiali e Ing. Chimica - Politecnico di Torino

[email protected]

Torino Polito 3-6-10

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La propulsione oggi è principalmente legata ai combustibili fossili, regalo della natura.Diverse problematiche:• i costi di estrazione stanno aumentando• in un prossimo futuro rimarranno pozzi non esauriti solo in particolari zone della terra (medio oriente) con pericolose conseguenze politiche.

Picchi di estrazione di petrolio e gas

Petrolio “facile” Petrolio “difficile”

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•Questioni aperte: energia•Sistemi a propulsione elettrica•Quali e quante batterie•La batteria al piombo•La batteria al litio•Celle a ioni di litio•Celle litio-polimero•Questioni aperte: futuro della batteria

Estrarre petrolio oggi è difficile e costoso3/22


E’ irrinunciabile ridurre la produzione di CO2 e degli altri inquinanti

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energiaX

Nel futuro, ma già oggi abbiamo due grandi sfide:

1. Cercare nuove fonti di energia: sole, vento…

Queste sono però fonti discontinueQueste sono però fonti discontinue


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energiaenergia

Sistema di accumulo:

batteria

2. Accumulare energia da utilizzare quando e dove richiesto

Lo stadio di produzione della energia elettrica viene separato dallo stadio di utilizzazione

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City car Pininfarina B0 in collaborazione con Bolloré, "esperta" in batterie ai polimeri di litio.ibrida (motore elettrico più quello a scoppio)Da 0 a 50 km/h in 4,9 secondi; 130 km/h di velocità massima. In più un'autonomia di 250 km.


Emas Ital Design GiugiaroOggi il componente del veicolo elettrico che ne

limita le prestazioni è la batteria batteria

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Scaricaalla piastra +: PbO2(s)+4 H+

(aq)+SO2-4(aq)+2 e- PbSO4(s)+H2O

catodoalla piastra -: Pb(s) + SO2-

4 (aq) PbSO4(s) + 2 e-

anodo

Carica: la + diventa anodo e la - diventa catodo


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Sovraccarica: + 2H2O(l) O2(g)+ 4H+(aq)+ 4 e-;

- 4H(aq)++ 4e- 2H2(g)

Sicure

zza?

Sicure

zza?


ieri oggi domani

Fuel Cell

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I sistemi Li-ione sono sicuramente preferibili per le maggiori densità di energia principalmente legate al basso peso dei materiali.

NiMH

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Catodo Anodo

elettrolita

Catodo : LiMn2O4 spinello LiCoO2 cobaltite

Anodo : foglio di Li metallico

LiM+nOx M+(n+1)Ox + Li+ + ecarica

Ossidazione del metallo che aumenta il suo nox

Li+ + e Li


sistema semplice e poco costoso possibilità di alte correnti reattività del litio, problemi di sicurezza. “shape changing” in ricarica durante la rideposizione del litio. eccessivo uso di litio.

CatodoLi

tio

Corto circuito

e-

litio

Strato passivatoLitio metallico

Litio “morto”

rideposizione16/22


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Li+

Li+Li+

Li+ Li+

Li+

Li+Li+

Li+ Li+

Generator(Charge)

e- e-

Graphite anode

Cathode

Rocking chair mechanism


Cella Litio - ioneCella Litio - ioneCATODO:Composti ad intercalazioneSpesso ossidi poco conduttivi

Lavora solo parzialmente: necessità di elevata area superficiale

Materiali nanometrici e/o porosi

Limite intrinseco del materiale:Scarsa conducibilità elettronica

Aggiunta di carbonio

Per aumentare la conducibilità elettronica

Catodo

Anodo

SeparatoreCon elettrolita liquido

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sistema leggermente più complesso

maggiore sicurezza maggiore affidabilità con nuovi materiali basso costo minimo consumo di litio


E’ ancora una cella a ioni di litioElettrolita è costituito da una membrana polimerica a conduzione di Li+

Migliore affidabilità Costo minore Processo di fabbricazione semplificato Forma adattabile alle necessità Cella sottile e flessibile Migliori proprietà meccaniche Più stabile cioè più sicuro

C a to d o

C a to d o

Me m b ra n ae le ttro litica

An o d od i litio

Me m b ra n ae le ttro litica

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Li+Li+Li+

•Dai MATERIALI che quindi devono essere: materiali a basso costo disponibili in grandi quantità non inquinanti processi industriali a bassa tecnologia alto livello di sicurezza

Al Politecnico di Torino abbiamo concentrato la ricerca su questi temi e siamo pronti a passare dal livello di laboratorio al livello pre-industriale

•Dalla costruzione della cella e dall’assem-blaggio delle celle che deve essere STANDARDIZZATO

•Dal meccanismo di controllo della TEMPERATURA dell’accumulatore a bordo veicolo

•Dalla strumentazione di controllo del funzionamento della batteria

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Electrochemistry group at the Politecnico di TorinoElectrochemistry group at the Politecnico di Torino

Department of Material Science and Chemical EngineeringDepartment of Material Science and Chemical Engineering

Paolo Spinelli – Full ProfessorNerino Penazzi – Associate ProfessorSilvia Bodoardo – Assistant ProfessorCarlotta Francia – Assistant ProfessorClaudio Gerbaldi – ResearcherGiuseppina Meligrana – TechnicianJijeesh Ravi Nair – PostDoc felloshipFrancesca Di Lupo – Ph.D studentMatteo Destro – Ph.D student Quiquing Chen – Ph.D student VjayKumar Ijery – Visiting professorNadia Garino – PostDoc fellowshipAneta Dumitrescu – PostDoc fellowshipSimone Zanarini – PostDoc fellowshipAnnalisa Chiappone - Ph.D student Lara Jabbour - Ph.D student

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al piombo VRLA

Ni/Cd Ni/MH litio

tensione (V) 2.0 1.2 1.2 3.7

energia specifica (Wh/kg) 35 50 90 165

densità di energia (Wh/L) 80 170 330 330

densità di potenza (W/kg) 200 >300

costo unitario basso moderato accettabile alto

numero di cicli 200 600 - 1000 500-700 1000

Elettrochimica applicazioni Silvia Bodoardo

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